CC BY
52
УДК 691 - 405.8
ИССЛЕДОВАНИЕ МАКРО- И МИКРОСТРУКТУРЫ ПЕНОСТЕКОЛ НА ОСНОВЕ ШЛАКОВЫХ ОТХОДОВ ТЭС
© 2012 г. Е.А. Яценко, В.А. Смолий, Б.М. Гольцман, А.С. Косарев
Южно-Российский государственный South-Russian State
техническим университет (Новочеркасский политехнический институт)
Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute)
Рассмотрены проблемы переработки шлаковых отходов ТЭС и синтеза на их основе пеностеколь-ных материалов строительного назначения. Приведены составы пеностекол на основе шлаков ТЭС, исследованы макро- и микроструктура материалов, сделаны выводы о применимости разработанных составов в строительстве.
Ключевые слова: шлаковые отходы ТЭС; ресурсосберегающая технология; строительные материалы; пеностекло; макроструктура; микроструктура.
Problems of processing of ashes and slag waste of thermal power plants and synthesis on their basis of foamed glass materials of building appointment are considered. Compositions of foam glass on the basis of TPP's slag are given, investigated the macro- and microstructure of materials, and draw conclusions about the applicability of the developed formulations in construction.
Keywords: slag waste of thermal power plants; resource-saving technology; building materials; foam glass; macrostructure; microstructure.
Одним из важнейших путей экономии топливно-энергетических ресурсов является минимизация тепловых потерь через ограждающие конструкции зданий и сооружений. Для решения поставленной задачи необходимо применение качественных теплоизоляционных материалов в гражданском и промышленном строительстве, а также в системах транспортирования тепла. Нехватка эффективных экологически чистых теплоизоляционных материалов приводит к большой потере тепловой энергии.
Как известно, основные свойства теплоизоляционных материалов (такие, как прочность, плотность, теплопроводность и т.д.) напрямую зависят от их микро- и макроструктуры - чем меньше размер пор и чем равномернее они распределены, тем лучше эти свойства. Поэтому исследование этих характеристик
является актуальным при разработке современных высокоэффективных теплоизоляционных материалов
[1-3].
Целью данной работы было создание теплоизоляционного стекломатериала - пеностекла, на основе шлаковых отходов ТЭС с требуемыми физико-механическими и теплоизоляционными свойствами.
Для исследования нами был использован шлак Новочеркасской ГРЭС (табл. 1) [4].
Нами был разработан ряд составов с различными природными порообразователями: состав 1 - мел, состав 2 - графит, состав 3 - антрацит. Выбор данных материалов как порообразователей объясняется их доступностью и экологичностью. Химический состав полученных пеношлакостекол приведен в табл. 2.
Таблица 1
Состав шлака Новочеркасского ГРЭС
Материалы Содержание оксидов, % (по массе)
SiO2 AI2O3 MgO Na2O Fe2O3 CaO K2O Ti02 SO2 P2O5 п.п.п. I
Шлак 54 19 1,6 1,0 11,8 3,6 3,4 1 0,08 0,12 3,4 100
Химический состав синтезированных пеношлакостекол
Таблица 2
№ состава Содержание оксидов, % (по массе)
SiO2 AlÄ BÄ MgO Na2O FeÄ CaO K2O Ti02 SO3 P2O5 C п.п.п. I
1 50,29 9,58 8,06 1,05 5,54 5,76 7,6 1,06 0,47 0,03 0,05 - 10,0 100
2 50,29 9,58 8,06 1,05 5,54 5,76 4,8 1,06 0,47 0,03 0,05 4,71 8,0 100
3 50,29 9,58 8,06 1,05 5,54 5,76 4,8 1,06 0,47 0,03 0,05 4,71 8,0 100
Изготовление пеношлакостекла основано на порошковом способе, который предусматривает приготовление тонкодисперсной шихты, состоящей из порошка стекла, шлака ТЭС, борной кислоты и порооб-разователя, брикетирование образцов, спекание шихты с одновременной ее поризацией, закрепление пористой структуры и снятие темпераурных напряжений по традиционной технологии [5]. По этой технологии были получены образцы пеностекла размерами 100x100x30 мм, которые были исследованы методом оптической микроскопии, определены предел прочности на сжатие (ГОСТ 473.6-81), кажущаяся пористость (ГОСТ 2409-95), коэффициент теплопроводности (аппарат ИТП-МГ4, ГОСТ 17177). Анализ внешнего вида и свойств приведен в табл. 3 и на рис. 1.
: •• ' й; V- ¿ШрШШ
Рис. 1. Образцы пеношлакостекла: а, б, в - соответственно составы № 1, 2, 3
Анализ характера и вида распределения пор приведен в табл. 4.
Из таблицы видно, что состав № 1 содержит примерно в равном количестве поры размером от 2 до 3-4 мм; в составе № 2 преобладают поры размером не более 0,5 и не менее 3 мм, а в составе № 3 большинство пор имеют размеры 1 -2 мм.
Исходя из того, что для теплоизоляционного материала необходимы как можно более мелкие поры, невидимые невооруженным глазом (< 0,5 мм), методом электронной микроскопии была исследована микропористая структура образцов составов № 1, 2, 3 с различным увеличением (рис. 2).
На микрофотографиях видно, что образец № 1 более пористый, нежели образцы № 2 и 3. В образце № 1 преобладают сообщающиеся поры неправильной формы размером 300 - 600 мкм. Наиболее мелкопористый образец № 2. В нем большинство пор сферической формы, они закрытые, изолированные друг от друга, размером от 80 до 200 мкм, преобладают поры размером =120 мкм. В образце № 3 присутствуют как закрытые, так и сообщающиеся поры, однако закрытых пор значительно больше. Размер пор колеблется от 60 до 600 мкм, основной объем составляют поры размером 150 - 200 мкм.
Также в целях прогнозирования прочностных свойств был проведен рентгенофазовый анализ (РФА) синтезированных образцов (рис. 3 -5).
Таблица 3
Анализ синтезированных образцов пеношлакостекла
№ состава (порообразователь) Анализ внешнего вида и свойств
1 (мел) Хорошо вспененные образцы; значительное увеличение объема при вспенивании (=20 %); большое количество неравномерно распределенных пор разного размера (от 0,3 до 3,0 мм); присутствуют большие поры вытянутой формы, вследствие этого значительно снижена прочность образцов. Предел прочности при сжатии 0,89 МПа. Коэффициент теплопроводности 0,085 Вт/(м-К)
2 (графит) Очень плохо вспененные образцы; уменьшение объема при вспенивании (= 10 %); малое количество пор разного размера (от 0,2 до 2,5 мм); вследствие образования на поверхности образцов легкоплавкой пленки Na2SЮз, препятствующей удалению влаги, поверхность образцов разрывает. Предел прочности при сжатии 16,98 МПа. Коэффициент теплопроводности 0,091 Вт/(м-К)
3 (антрацит) Хорошо вспененные образцы; небольшое увеличение объема при вспенивании (= 10 %); большое количество равномерно распределенных пор примерно одного размера (от 1 до 2 мм). Предел прочности при сжатии 6,64 МПа. Коэффициент теплопроводности 0,071 Вт/(м-К).
Таблица 4 Количество и размер пор образцов пеношлакостекла
Порообразователь (№ состава) Содержание пор заданного размера (мм), % Кажущаяся пористость, %
<0,5 0,5-1 1-2 2-3 3-4 >4
мел(№1) 2,56 5,13 10,26 28,21 38,46 15,38 54,85
графит (№2) 39,47 21,05 5,26 5,26 10,53 18,42 22,02
антрацит (№3) 4,76 11,90 52,38 21,43 7,14 2,38 35,94
б
в
Результаты расшифровки РФА приведены в табл. 5.
Рис. 2. Микрофотографии образцов: а, б, в - соответственно составы № 1, 2, 3
Состав 1 (мел) г = 850 0С
х зародыши
муллита • зародыши а-тридимита
411 29, град Рис. 3. РФА состава № 1
X Состав 2 (графит)
г = 950 0С
X муллит • а-тридимита ▲ магнетит герцинит
Таблица 5
Результаты расшифровки РФА
Соединение Угол дифракции 20 (интенсивность)
а-тридимит SiO2 21,54 (10) 29,74 (4) 35,58(3)
Муллит 3А12Оэ^Ю2 25,95 (10) 16,43 (5) 33,27 (4)
Шпинель герцинит FeO•Al2Oз 36,64 (10) 31,13 (6) 18,90 (2)
Шпинель магнетит FeзO4 35,44 (10) 30,05 (3) 43,02 (2)
Рис. 5. РФА состава № 3
Анализируя результаты комплекса исследований, можно сделать следующие выводы:
1. Образцы состава № 1 имеют неравномерно распределенные поры различного размера, в основном от 1 до 3 мм. Кроме того, имеются вытянутые поры, обусловленные наличием легкоплавкой эвтектики, разрушающей стенки пор, способствующей ее агломерации. Данный вид пористости ведет к значительному ухудшению основных свойств, таких как прочность (0,89 МПа) и теплопроводность (0,085 Вт/(м-К)).
Образцы данного состава - наиболее пористые среди представленных, в них преобладают сообщающиеся поры неправильной формы размером 300 -600 мкм.
Состав № 1 практически полностью рентгеноа-морфен, можно лишь предположительно выделить пики зародышей муллита и а-тридимита.
2. Образцы состава № 2 содержат малое количество пор, в основном, размерами меньше 0,5 мм. Также имеются неравномерно распределенные крупные поры (>3 мм). Данный вид пористости обусловливает повышенную прочность (16,98 МПа) и значительно ухудшает теплопроводность (0,091 Вт/(м-К)).
Эти образцы наиболее мелкопористые, в них преобладают закрытые изолированные поры сферической формы размером =120 мкм, а также присутствует наибольшее количество муллитной фазы, благодаря чему образцы данного состава обладают наибольшей прочностью.
3. Образцы состава № 3 имеют равномерно распределенные поры примерно одного размера (1 мм). Подобное распределением пор обусловливает оптимальные прочность (6,67 МПа) и теплопроводность (0,071 Вт/(м-К)) среди всех составов.
В образце этого состава присутствуют как закрытые, так и сообщающиеся поры, однако преобладают закрытые поры размером 150 - 200 мкм; присутствует также в небольшом объеме муллитовая фаза, дополнительно увеличивающая прочность образцов данного состава.
4. По результатам всего спектра исследований можно заключить, что оптимальным составом для производства теплоизоляционных материалов является состав № 3, так как он обладает закрытой пористостью. Поры равномерно распределены по объему и размеру, что обеспечивает оптимальный уровень основных свойств, необходимых для производства качественного теплоизоляционного материала.
Данная научно-исследовательская работа выполняется в рамках Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы» Министерства образования и науки РФ.
Поступила в редакцию
Литература
1. Пучка О.В., Минько Н.И., Бессмертный В.С., Семе-ненко С.В., Крафт В.Б., Мелконян Р.Г. Пеностекло. Научные основы и технология. Воронеж, 2008. 168 с.
2. Дворкин Л.И., Дворкин О.Л. Строительные материалы из отходов промышленности. Ростов н/Д., 2007. 368 с.
3. Ефимов Н.Н., Яценко Е.А., Смолий В.А., Косарев А.С., Копица В.В. Экологические аспекты и проблемы утилизации и рециклинга золошлаковых отходов тепловых электростанций // Экология промышленного производства. 2011. № 2. С. 40 - 41.
4. Состав и свойства золы и шлака ТЭС: справочное пособие / под ред. В.А. Мелентьева. Л., 1985. 292 с.
5. Яценко Е.А., Смолий В.А., Косарев А.С., Грушко И.С., Гольцман Б.М. Исследование возможности производства строительных материалов на основе отходов углеобогащения // Экология промышленного производства. 2012. № 1. С. 80 - 83.
24 сентября 2012 г.
Яценко Елена Альфредовна - канд. техн. наук, профессор, зав. кафедрой «Технология керамики, стекла и вяжущих веществ», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. (8635) 25-56-24. E-mail: [email protected]
Смолий Виктория Александровна - аспирант, кафедра «Технология керамики, стекла и вяжущих веществ», ЮжноРоссийский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. (8635) 25-51-35. E-mail: [email protected]
Гольцман Борис Михайлович - аспирант, кафедра «Технология керамики, стекла и вяжущих веществ», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. (8635) 25-51-35.
Косарев Андрей Сергеевич - аспирант, кафедра «Тепловые электрические станции и теплотехника», ЮжноРоссийский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. (8635)25-56-71. E-mail: [email protected]
Jatsenko Elena Alfredovna - Candidate of Technical Sciences, professor, head of department «Technology of Ceramics, Glass and Knitting Substances», South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (8635) 25-56-24. E-mail: [email protected]
Smoliy Victoria Aleksandrovna - post-graduate student, department «Technology of Ceramics, Glass and Knitting Substances», South-Russia State Technical University (NPI). Ph. (8635) 25-51-35. E-mail: [email protected]
Golcman Boris Michailovich - post-graduate student, department «Thermal Power Plant», South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (8635) 25-51-35.
Kosarev Andrey Sergeevich - post-graduate student, department «Thermal Power Plant», South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (8635)25-56-71. E-mail: [email protected]
